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Portada club 89M 7/7/12 5:35 PM Página 1
2ª de forros.qxd 7/9/12 7:21 AM Página 2ªFo1
Electrónica Digital Muy Fácil
Electrónica Digital Muy Fácil 1
Director
Ing. Horacio D. Vallejo
Producción
José María Nieve...
Sumario
2 Club Saber Electrónica Nº 89
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DIGITAL. . . . . 3
Introducción. . . . . ....
CCAPÍTULAPÍTUL OO 11
INTRODUCCIÓN A LA
ELECTRÓNICA DIGITAL
Entre las actividades que desarrolla el Club Saber Electrónica ...
INTRODUCCIÓN
La electrónica digital es una asignatura que estudia
las señales eléctricas, pero en este caso son señales di...
Cap 1 - Introduccion.qxd 7/9/12 6:30 AM Página 5
En la figura 5 se grafica su símbolo y tabla de ver-
dad.
Compuerta AND
Una compuerta AND tiene dos entradas como
mínimo y...
Cap 1 - Introduccion.qxd 7/9/12 6:30 AM Página 7
puerta surge de la inversión de la operación lógica o
inclusiva, es como un “no a y/o b”. Igual que antes, solo
agregamos ...
marca una de las compuertas que será puesta a
prueba, para ello utilizaremos una fuente regulada de
+5V, un LED una resist...
1º Ley de De Morgan
El producto lógico negado de varias variables lógi-
cas es igual a la suma lógica de cada una de dicha...
puede utilizar una compuerta NOR con sus entradas
negadas, o sea:
_______
__ __
a . b = (a + b)
Para obtener una compuerta...
Esto es, encontrar la función que relaciona todas las
variables disponibles, de tal modo que el resultado sea
el que se es...
Para saber por qué están agrupados los números de
la fila de abajo, debemos recordar que la primer
columna y la última son...
Circuitos Monoestables:
Estos circuitos cambian de estado sólo si se man-
tiene la señal de entrada (nivel alto o bajo), s...
Como puede comprender, es muy fácil construir un
oscilador con frecuencia ajustable, basta con colocar
una resistencia o u...
OSCILADORES CONTROLADOS
Se trata simplemente de controlar el momento en
que estos circuitos deben oscilar.
Tenemos dos opc...
sos mientras dure el pulso de entrada. Si observamos la
forma de onda en la entrada y la comparamos con la
salida nos dare...
en nivel bajo, entonces su salida estará a nivel alto,
ahora bien, un 1 lógico de poca duración en la
entrada, hace que se...
monoestables. La secuencia para activar la salida es el
orden en que están numerados los pulsadores, eso sí,
note que debe...
bajan con un mismo nivel de señal, provee dos salidas,
una salida normal Q que refleja la señal de entrada Set
y otra ~Q q...
R = ~S
Observe el circuito de la figura 51, aquí se supone la
entrada “Dato” está a nivel 0.
En la figura 52 vemos que ocu...
pero mucho más complejo que éste, y existen circuitos
integrados que ya lo traen incorporado así que, por
cuestiones de se...
CCAPÍTULAPÍTUL OO 22
ELECCIÓN DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS DIGITALES
FAMILIAS LÓGICAS
Los diferentes elementos analizados e...
INTRODUCCIÓN
En la comparación entre las distintas familias lógicas,
existen familias que son aconsejables en algunas apli...
La compuerta AND está realizada con diodos y el in-
versor es un transistor, como vimos antes.
Cuando cualquiera de las en...
tar Q4 saturado, la tensión colector-emisor es pequeña
y, en estas condiciones, la tensión base-emisor de Q3
no es suficie...
Si cualquiera de los dos transitores de salida va al es-
tado de saturación, es decir, la tensión de salida es la
VCE SAT,...
En la figura 10 se representa el símbolo lógico pro-
puesto por el IEEE para una compuerta NAND de tres es-
tados.
Cuando ...
ta inmunidad al ruido, etc. Analicemos cada subfamilia
de las nombradas:
TTL de baja potencia
(Low power TTL, serie 54L/74...
En este tipo de lógica, los transistores no se saturan,
con lo que se evita el problema de almacenamiento
de portadores mi...
Electrónica Digital Muy Fácil 31
Familias LógicasPARAMETROTTLTTLALTATTLTTLBAJOTTLLPCMOSECLECLECLHTLDTLRTL
ESTANDARVELOCIDA...
al corte, debido a los portadores minoritarios del ca-
nal).
En condiciones dinámicas, es decir, al efectuarse la
conmutac...
ICCH: Corriente de alimentación con salida a nivel
alto.
ICCL: Corriente de alimentación con salida a nivel
bajo.
IIH: Cor...
patitas. También existe de 8, 18, 22, 24 y 28 patitas. El
aspecto físico de este tipo de cápsula se muestra en la
figura 1...
74 margen de temperatura comercial
02 función lógica que efectúa (en este ejemplo
cuádruple compuerta NOR con 2 entradas)
...
mucho mayor que otro circuito similar realizado con
componentes discretos, debido a un minucioso estudio
que exige el proy...
CCAPÍTULAPÍTUL OO 33
Este libro pretende ser práctico y brindar soluciones prácticas para que realice sus
propias experien...
INTRODUCCIÓN
El nombre protoboard es
una contracción de los voca-
blos ingleses prototype board
y es el término que se ha
...
José maría nieves (grupo quark srl) “club saber electrónica   electrónica digital”; saber electrónica - editorial quark s....
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José maría nieves (grupo quark srl) “club saber electrónica electrónica digital”; saber electrónica - editorial quark s.r.l.– capital; 2012

  1. 1. Portada club 89M 7/7/12 5:35 PM Página 1
  2. 2. 2ª de forros.qxd 7/9/12 7:21 AM Página 2ªFo1
  3. 3. Electrónica Digital Muy Fácil Electrónica Digital Muy Fácil 1 Director Ing. Horacio D. Vallejo Producción José María Nieves (Grupo Quark SRL) Selección y Recopilación de esta Obra: Ing. Horacio Daniel Vallejo hvquark@webelectronica.com.ar SOBRE APORTES DEL CLUB SE, MONOGRAFÍAS Y PROGRAMAS DE PROFESIONALES Coordinación: Ing. Federico Prado EDITORIAL QUARK S.R.L. Propietaria de los derechos en castellano de la publicación men- sual SABER ELECTRÓNICA - San Ricardo 2072 (1273) - Capi- tal Federal - Buenos Aires - Argentina - T.E. 4301-8804 Administración y Negocios Teresa C. Jara (Grupo Quark SRL) Patricia Rivero Rivero (SISA SA de CV) Margarita Rivero Rivero (SISA SA de CV) Staff Liliana Teresa Vallejo Mariela Vallejo Diego Vallejo Luis Alberto Castro Regalado (SISA SA de CV) José Luis Paredes Flores (SISA SA de CV) Sistemas: Paula Mariana Vidal Red y Computadoras: Raúl Romero Video y Animaciones: Fernando Fernández Legales: Fernando Flores Contaduría: Fernando Ducach Técnica y Desarrollo de Prototipos: Alfredo Armando Flores Atención al Cliente Alejandro Vallejo ateclien@webelectronica.com.ar Internet: www.webelectronica.com.mx Publicidad: Rafael Morales rafamorales@webelectronica.com.ar Club SE: Grupo Quark SRL luisleguizamon@webelectronica.com.ar Editorial Quark SRL San Ricardo 2072 (1273) - Capital Federal www.webelectronica.com.ar La Editorial no se responsabiliza por el contenido de las notas firmadas. Todos los productos o marcas que se mencionan son a los efectos de prestar un servicio al lector, y no entrañan res- ponsabilidad de nuestra parte. Está prohibida la reproducción total o parcial del material contenido en esta revista, así como la industrialización y/o comercialización de los aparatos o ideas que aparecen en los mencionados textos, bajo pena de sanciones legales, salvo mediante autorización por escrito de la Editorial. Impresión: Talleres Babieca - México El primer circuito que recuerdo haber armado, a comienzos de los 70 del siglo pasado (que viejo que suena eso…) fue un oscilador con compuertas TTL para hacer titilar a un par de Leds que había colocado en un carro controlado con un par de perillas y un potenciómetro por medio de cables… con 12 años recién cumplidos creo que ni siquiera sabía que era un control remoto y menos una compuerta lógica, simplemente había copiado un esquemático que había apa- recido en una revista de historietas llamada Lupin que en cada número incluía una sección de circuitos con semiconductores. Esa revista “me marcó” a tal punto que a partir de su lectura siempre traté de “intercalar” el entretenimiento con el aprendizaje. El estudio de la electrónica digital facilita el “aprendizaje” de la electrónica analógica y, a su vez, se puede aprender mientras uno practica. Es muy fácil esta- blecer cómo funciona una compuerta lógica manipulando sus entradas para ver qué ocurre con una salida o cómo comprobar las leyes fundamentales por medio de circuitos fáciles de armar. Además, un circuito integrado digital es casi tan barato como un transistor común, lo que implica que si por error uno daña un componente, no va a perder mucho dinero. Desde que comencé a escribir libros de electrónica, hace más de 25 años, llevo editados 6 libros de electrónica digital y 3 cursos… obviamente todos ellos contienen los mismos conceptos ya que la electrónica digital es una sola, 4 son muy básicos, el quinto es sobre proyectos y el restante posee un amplio contenido matemático, ya que está dirigido a estudiantes de ingeniería. Es por ello que al escribir este texto pensé en que debía ser una obra neta- mente práctica, fácil de comprender y didáctica a la hora de tener que propo- ner prácticas. Me basé en escritos de lectores, monografías de estudiante y pro- gramas de simulación diseñados por profesionales, pero en todos los casos la pre- misa fue: “que resulte fácil”. ¡Hasta el mes próximo! SOBRE LOS 2 CDS Y SU DESCARGA Ud. podrá descargar de nuestra web 1 CD: “Curso de Electrónica Digital” y 1 VCD “Constructor Virtual y Simulador de Circuitos Digitales con Chips TTL ” que contienen Cursos, Videos, Tutoriales, Guías de Reparación y Proyectos, etc. Todos los CDs son productos multimedia completos con un costo de mercado equiva- lente a 8 dólares americanos cada uno y Ud. los puede descargar GRATIS con su número de serie por ser comprador de este libro. Para realizar la descarga deberá ingresar a nuestra web: www.webelectro- nica.com.mx, tendrá que hacer clic en el ícono password e ingresar la clave “STDCLUB89”. Tenga este texto cerca suyo ya que se le hará una pregunta aleato- ria sobre el contenido para que pueda iniciar la descarga. Editorial Del Editor al Lector editorial sumario.qxd 7/9/12 6:37 AM Página 1
  4. 4. Sumario 2 Club Saber Electrónica Nº 89 CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DIGITAL. . . . . 3 Introducción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Lógica Positiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Lógica Negativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Compuertas Lógicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Compuerta NO ó NOT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Compuerta AND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Compuerta OR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Compuerta OR-EX o XOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Compuertas Lógicas Combinadas. . . . . . . . . . . . . . . . 6 Compuerta NAND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Compuerta NOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Compuerta NOR-EX. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Buffer's . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Un Poco de Leyes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Leyes de De Morgan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1º Ley de De Morgan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2º Ley de De Morgan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Mapas de Karnaught. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Osciladores, Multivibradores y Circuitos Astables. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Circuitos Biestables o Flip-Flop (FF). . . . . . . . . . . . . . . . 14 Circuitos Monoestables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Oscilador Astable Simétrico con Compuertas NOT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Oscilador Simétrico con compuertas NAND y NOR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Disparadores Schmitt Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Oscilador a Cristal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Osciladores Controlados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Modulación por Ancho de Pulso. . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Modulación por Ancho de Pulso Conmutado. . . . . . . 16 Demodulación de Señales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Doblador de Frecuencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Circuitos Monoestables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Cerradura con Teclado Electrónico. . . . . . . . . . . . . . . 18 Circuitos Biestables. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Flip-Flop Básico RS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Flip-Flop RS - Controlado por un Pulso de Reloj. . . . . . 20 Flip-Flop D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Flip-Flop Master-Slave. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Flip-Flop JK. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 CAPÍTULO 2 ELECCIÓN DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS DIGITALES: FAMILIAS LÓGICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Introducción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Familias Lógicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Familia RTL (Resistor Transistor Logic). . . . . . . . . . . . . . . 24 Familia DTL (Diode Transistor Logic) . . . . . . . . . . . . . . . 24 Familia TTL (Transistor Transistor Logic). . . . . . . . . . . . . . 25 TTL con Salida a Colector Abierto . . . . . . . . . . . . . . . . 26 TTL de Tres Estados (Thre State). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Compuerta AND TTL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 TTL de Baja Potencia (Low power TTL, serie 54L/74L) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 TTL de Alta Velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 TTL Schottky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 TTL Schottky de Baja Potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Familia HTL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Familia ECL (Lógica Acoplada por Emisor) . . . . . . . . . 29 Familia CMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Simbología y Parámetros Usuales para Identificar a los Circuitos Integrados Digitales . . . . . . . 32 Encapsulados Utilizados en los Circuitos Integrados Digitales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Nomenclatura Utilizada por los Fabricantes . . . . . . . . 34 Ventajas de los Circuitos Integrados Digitales . . . . . . . 35 Algunas Definiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 SSI (Small Scale Integration). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 MSI (Medium Scale Integration). . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 LSI (Large Scale Integration). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 VLSI (Very Large Scale Integration) . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Fan-out (Cargabilidad de salida Fo) . . . . . . . . . . . . . . 36 Fan-in (Cargabilidad de entrada Fi) . . . . . . . . . . . . . . 36 Niveles Lógicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Margen de Ruido. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 CAPÍTULO 3 PRÁCTICA CON CIRCUITOS DIGITALES: ENTORNO DE DESARROLLO Y PLACA DE ENTRENAMIENTO. . . . . . . . . . . . . 37 Introducción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Trabajando con el Protoboard. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Construcción de Prototipos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Ejemplos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Placa de Entrenamiento para Electrónica Digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Primero Aprenda a Simular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 El Circuito de la Placa Entrenadora. . . . . . . . . . . . . . . 45 Nuestras Primeras Prácticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 CAPÍTULO 4 SIMULADOR DE CONSTRUCCIÓN DE CIRCUITOS DIGITALES CON ESCENARIOS VIRTUALES Y TUTORIALES INTERACTIVOS . . . . . . . . . . . . . . . 49 Introducción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Ventajas del Programa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Limitaciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Problemas Detectados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 El Módulo Digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Edición de Circuitos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Menús del Programa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Modelos de Circuitos Integrados Estándares. . . . . . . . 52 Modelos de Circuitos Integrados de Aplicación Específica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Ejemplos de Circuitos, Escenarios y Tutoriales . . . . . . . 57 Cómo se Usa el Simulador de Construcción de Circuitos Digitales. . . . . . . . . . . . . . . 59 Descripción General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 El Protoboard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Conexiones con Cables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Fuente DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Tableros de Interruptores y Leds. . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Tablero de Pulsadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Visualizadores de Siete Segmentos . . . . . . . . . . . . . . . 63 Tablero de Temporizadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Tutorial de Lógica Programable (PLA) . . . . . . . . . . . . . 64 Circuitos Integrados TTL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Ejemplos de Circuitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 CAPÍTULO 5 CIRCUITOS INTEGRADOS DE FUNCIONES ESPECIALES CIRCUITOS COMBINACIONALES . . . . . . . . . . . 71 Introducción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Codificadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Decodificadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Multiplexores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Demultiplexores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 ELECTRÓNICA DIGITAL MUY FÁCIL SUMARIO editorial sumario.qxd 7/9/12 6:37 AM Página 2
  5. 5. CCAPÍTULAPÍTUL OO 11 INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DIGITAL Entre las actividades que desarrolla el Club Saber Electrónica durante este año, se encuentra un “Taller Práctico de Técnicas Digitales”, evento que se está dictando en diferentes ciudades de 11 países e América Latina, por profesores avalados por el Club SE, que sirve como base para explicar proyectos que empleen las denomina- das “energías limpias”. Para dichos talleres, de 8 horas de duración, en los que los asistentes realizan prácticas con un entrenador que publicamos en este libro, se ha preparado una introducción teórica que explica los fundamentos de la electrónica Digital. Aclaramos que tanto el tomo Nº1 como el Nº 46 de la colección Club SE están dedicados a las técnicas digitales, sin embargo, decidimos realizar un nuevo trabajo en base al tutorial de Luis Rueda (www.r-luis.xbot.es), reconocido por el Grupo de ABCdatos.com, por considerar que nuestros lectores merecen tener otro enfoque, netamente práctico. Como dato adicional, queremos comentarles que este capítulo es introductorio y que Ud. puede descargar gratuitamente los dos libros del Club SE en formato pdf desde nuestra web: www.webelectronica.com.mx, haciendo clic en el ícono password e ingresando la clave: “eledigi300”. Electrónica Digital Muy Fácil 3 Cap 1 - Introduccion.qxd 7/9/12 6:30 AM Página 3
  6. 6. INTRODUCCIÓN La electrónica digital es una asignatura que estudia las señales eléctricas, pero en este caso son señales dis- cretas, es decir, están bien identificadas, razón por la cual a un determinado nivel de tensión se lo llama estado alto (High) o “Uno lógico”; y a otro, estado bajo (Low) o “Cero lógico”. Supongamos que las señales eléctricas con que tra- baja un sistema digital son 0V y 5V. Parece obvio que 5V será el estado alto o “1” lógico, pero deberemos tener en cuenta que existe la Lógica Positiva y la Lógica Negativa, veamos cada una de ellas. Lógica Positiva En esta notación al “1” lógico le corresponde el nivel más alto de tensión (positivo, si quieres llamarlo así) y al “0” lógico el nivel mas bajo (que bien podría ser nega- tivo), pero: ¿Qué ocurre cuando la señal no está bien definida? Deberemos conocer cuáles son los límites para cada tipo de señal (conocido como tensión de histére- sis), en el gráfico de la figura 1 se puede ver con mayor claridad cada estado lógico y su nivel de tensión. Lógica Negativa Aquí ocurre todo lo contrario, es decir, se representa al estado "1" con los niveles más bajos de tensión y al "0" con los niveles más altos, tal como queda expresado en la figura 2. Por lo general se suele trabajar con lógica positiva, y así lo haremos en este manual, la forma más sencilla de representar estos estados es como se puede ver en el gráfico de la figura 3. COMPUERTAS LÓGICAS Las compuertas lógicas son dispositivos que operan con aquellos estados lógicos mencionados anterior- mente y funcionan igual que una calculadora: “de un lado ingresa los datos, la compuerta realiza una opera- ción y, finalmente, muestra el resultado en una salida, figura 4. A cada una de las compuertas lógicas se las repre- senta mediante un símbolo, y la operación que realiza (operación lógica) se corresponde con una tabla, lla- mada Tabla de Verdad. Veamos a continuación cuáles son las compuertas lógicas más relevantes: Compuerta NO ó NOT Se trata de un inversor, es decir, invierte el dato de entrada, por ejemplo; si ponemos su entrada a 1 (nivel alto) obtendremos en su salida un 0 (o nivel bajo), y vice- versa. Esta compuerta dispone de una sola entrada. Su operación lógica es: __ S = a Aclaración: La rayita encima de la “a” indica que se trata de su valor negado, es decir, cada vez que queremos indicar el valor inverso de una variable y/o función, se coloca encima una rayita. Capítulo 1 4 Club Saber Electrónica Nº 89 Figura 1 Figura 2 Figura 3 Figura 4 Cap 1 - Introduccion.qxd 7/9/12 6:30 AM Página 4
  7. 7. Cap 1 - Introduccion.qxd 7/9/12 6:30 AM Página 5
  8. 8. En la figura 5 se grafica su símbolo y tabla de ver- dad. Compuerta AND Una compuerta AND tiene dos entradas como mínimo y su operación lógica es un producto entre ambas, no es un producto aritmético, aunque en este caso coincidan. Vea en la figura 6 el símbolo de la compuerta AND y cuál es su tabla de verdad. “Observamos que su salida será alta si sus dos entra- das están a nivel alto” Compuerta OR Esta compuerta también posee dos entradas como mínimo y la operación lógica, será una suma entre ambas. He aquí una de las principales definiciones que debemos razonar: “estamos acostumbrados a sumar números decimales, sabiendo que el sistema decimal posee 10 símbolos (del 0 al 9); ahora debemos aprender a sumar con un sistema que posee sólo dos símbolos (0 y 1) por lo cual cuando sumamos: (1 + 1), el resultado será “10” y si la compuerta tiene una sola salida, se verá únicamente el dígito menos significativo, es decir, el “0”. La compuerta OR es O Inclusiva, es decir, “a y/o b”. Vea en la figura 7 el símbolo de la compuerta OR y cuál es su tabla de verdad. “Basta con que una de las entradas sea 1para que su salida sea también 1” Compuerta OR-EX o XOR En realidad deberíamos llamarla OR Exclusiva, tiene dos entradas y realiza la siguiente operación aritmética: __ __ S = a.b + a.b Vea en la figura 8 el símbolo de la compuerta XOR y cuál es su tabla de verdad. “Al ser O Exclusiva su salida será 1 si una y sólo una de sus entradas es 1” COMPUERTAS LÓGICAS COMBINADAS Al agregar una compuerta NOT a cada una de las compuertas anteriores, los resultados de sus respectivas tablas de verdad se invierten, y dan origen a tres nuevas compuertas llamadas NAND, NOR y NOR-EX. Veamos ahora cómo son y cuál es el símbolo que las representa. Compuerta NAND Responde a la inversión del producto lógico de sus entradas, en su representación simbólica se reemplaza la compuerta NOT por un círculo a la salida de la com- puerta AND, figura 9. Compuerta NOR El resultado que se obtiene a la salida de esta com- Capítulo 1 6 Club Saber Electrónica Nº 89 Figura 5 Figura 6 Figura 7 Figura 8 Figura 9 Cap 1 - Introduccion.qxd 7/9/12 6:30 AM Página 6
  9. 9. Cap 1 - Introduccion.qxd 7/9/12 6:30 AM Página 7
  10. 10. puerta surge de la inversión de la operación lógica o inclusiva, es como un “no a y/o b”. Igual que antes, solo agregamos un círculo a la compuerta OR y ya tienes una NOR, figura 10. Compuerta NOR-EX Es simplemente la inversión de la compuerta OR-EX, los resultados se pueden apreciar en la tabla de verdad, que bien podríamos compararla con la anterior y notar la diferencia, el símbolo que la representa se muestra en la figura 11. Buffer's Un buffer es un separador de etapas o circuitos elec- trónicos, es decir, no realiza ninguna operación lógica, su finalidad es amplificar un poco la señal (o refrescarla si se puede decir) y se emplea cuando las señales lógi- cas pueden estar degradadas ya sea por atenuaciones o por interferencias. Como podemos ver en el gráfico de la figura 12, la señal de salida es la misma que la de entrada. Se lo emplea también para obtener pequeñas demoras o temporizaciones, que es el tiempo de demora de la compuerta en cambiar el valor de la salida ante el cambio de su entrada. CIRCUITOS INTEGRADOS Y CIRCUITO DE PRUEBA Existen varias familias de Circuitos integrados, pero sólo mencionaré dos, los más comunes, que son: TTL y CMOS. Comercialmente, estos Integrados los podemos caracterizar por el número que corresponde a cada familia según su composición. Por ejemplo; Los TTL se corresponden con la serie 5400, 7400, 74LSXX, 74HCXX, 74HCTXX etc. algunos 3000 y 9000. Los C-MOS y MOS se corresponde con la serie CD4000, CD4500, MC14000, 54C00 ó 74C00. No es objeto de este manual explicar en profundi- dad cada una de estas familias pero siempre aclaro que para comenzar es más fácil trabajar con compuer- tas CMOS, ya que aceptan un rango de tensión de ali- mentación amplio, a diferencia de los integrados TTL que se alimentan solamente con 5V. Sin embargo, tenemos que destacar que los circui- tos integrados TTL son mucho más veloces y poseen mayor inmunidad a interferencias, sobre todo las del tipo electromagnéticas. Hay muchas empresas fabricantes de compuertas lógicas pero todas ellas pueden ser reemplazadas por su equivalente. Es un caso similar al uso de una resisten- cia o un capacitor, en general no nos importa quien los fabrica sino que la banda de colores sea la adecuada (en el caso de las resistencias). Con las compuertas o circuitos integrados en general no interesa quien lo fabrica sino que su matrícula sea la adecuada. Por ejemplo, en la figura 13 observamos un Circuito inte- grado 74LS08, un componente de familia TTL, es una cuádruple compuerta AND. Es importante que notemos el sentido en que están numerados los pines; ya que esto es general, para todo tipo de integrado. Comenzaremos con este integrado para verificar el comportamiento de las compuertas vistas anterior- mente. El representado en el gráfico de la figura 14 Capítulo 1 8 Club Saber Electrónica Nº 89 Figura 10 Figura 11 Figura 12 Cap 1 - Introduccion.qxd 7/9/12 6:30 AM Página 8
  11. 11. marca una de las compuertas que será puesta a prueba, para ello utilizaremos una fuente regulada de +5V, un LED una resistencia de 220 ohm, y por supuesto el IC que corresponda y la placa de prueba o placa entrenadora (más adelante veremos cómo es física- mente una placa entrenadora. En el esquema usamos una de las 4 compuertas dis- ponibles en el Integrado 74LS08 (por ello se usa la nota- ción 1/4), los extremos a y b son las entradas que debe- remos llevar a un 1 lógico (+5V) ó 0 lógico (GND) y el resultado en la salida s de la compuerta se verá refle- jado en el LED, LED encendido (1 lógico) y LED apagado (0 lógico). Más adelante veremos cómo realizar nuestras prácticas en una placa entrenadora, sin embargo, en la figura 15 podemos ver cómo realizar nuestra práctica en un protoboard. Recuerde que debemos conectar los terminales de alimentación que en este caso son el pin 7 a GND y el 14 a +5V. Debemos armar el circuito y “construir la tabla de verdad” para comprobar que lo que hemos estudiado es correcto. UN POCO DE LEYES Recuerde que es muy importante que Ud. realice prácticas para comprobar el funcionamiento de las tres compuertas básicas. La completa interpretación de estos componentes es la base para que pueda seguir estudiando electrónica digital. Una vez que conoce las compuertas, debemos enunciar cuáles son las leyes básicas de esta asigna- tura… es como aprender la Ley de Ohm, pero para electrónica digital. LEYES DE DE MORGAN Estas leyes permiten “simplificar” el diseño de circui- tos electrónicos digitales”. Se trata simplemente de estu- diar una combinación de compuertas, de tal modo de encontrar una equivalencia entre ellas, esto viene a consecuencia de que en algunos casos no disponemos del integrado que necesitamos, pero si de otros que podrían producir los mismos resultados que estamos buscando. Dicho de otra manera, explican cómo se puede construir una compuerta a partir de la combina- ción de otras de distinto tipo. Para interpretar mejor estas leyes, debemos conside- rar a las señales de entrada como variables y al resul- tado como una función entre ellas. El símbolo de nega- ción (operador NOT) se representa por medio de una línea colocada encima del símbolo u operación mate- mática. Por ejemplo: _ A significa A negada _____ (A+B) significa que el resultado es la inversa de (A+B) Introducción a la Electrónica Digital Electrónica Digital Muy Fácil 9 Figura 13 Figura 14 Figura 15 Cap 1 - Introduccion.qxd 7/9/12 6:30 AM Página 9
  12. 12. 1º Ley de De Morgan El producto lógico negado de varias variables lógi- cas es igual a la suma lógica de cada una de dichas variables negadas. Si tomamos un ejemplo para 3 variables tendríamos: ______ _ _ _ (a.b.c) = a + b + c El primer miembro de esta ecuación equivale a una compuerta NAND de 3 entradas, representada en el gráfico de la figura 16, con su respectiva tabla de ver- dad. En la figura 17 tenemos representada la tabla de verdad para el segundo miembro de la ecuación. Mirando la tabla de verdad, deducimos que el segundo miembro de la ecuación se puede obtener de dos for- mas, usando una compuerta OR de 3 entradas o empleando 3 compuertas OR de 2 entradas. Obviamente, la tabla de verdad para ambos miem- bros de la ecuación es la misma, ya que los resultados obtenidos son iguales. Acabamos de verificar la primera ley. 2º Ley de De Morgan La suma lógica negada de varias variables lógicas es igual al producto de cada una de dichas variables negadas. ___________ _ _ _ (a + b + c) = a . b . c En la figura 18 se grafica el primer miembro de esta ecuación, que equivale a una compuerta NOR de 3 entradas, también mostramos su tabla de verdad. Al segundo miembro de la ecuación se lo puede obtener de diferentes formas, en la figura 19 podemos ver dos de los circuitos combinacionales posibles. Observamos que la tabla de verdad del segundo miembro de la ecuación es la misma que para el pri- mer miembro. Acabamos así de verificar la segunda ley de De Morgan. Con la aplicación de estas dos leyes podemos lle- gar a una gran variedad de conclusiones. Veamos algunos ejemplos: Para obtener una compuerta AND de 2 entradas, se Capítulo 1 10 Club Saber Electrónica Nº 89 Figura 16 Figura 17 Figura 18 Figura 19 Cap 1 - Introduccion.qxd 7/9/12 6:30 AM Página 10
  13. 13. puede utilizar una compuerta NOR con sus entradas negadas, o sea: _______ __ __ a . b = (a + b) Para obtener una compuerta OR se puede utilizar una compuerta NAND con sus entradas negadas, es decir: _______ __ __ a + b = ( a . b) Para obtener una compuerta NAND podemos emplear una compuerta OR con sus dos entradas negadas, como indica la primera ley de De Morgan: ____ __ __ (a.b) = a + b Para obtener una compuerta NOR utilizamos una compuerta AND con sus entradas negadas, ya que eso dice la 2º ley de De Morgan: ______ __ __ (a + b) = a . b La compuerta OR-EX tiene la particularidad de entre- gar un nivel alto en su salida cuando una y sólo una de sus entradas se encuentra en nivel alto. Su función se puede representar como sigue: __ __ s = a . b + a . b Analizando el segundo miembro de la ecuación, podemos deducir que esta compuerta se puede cons- truir como una combinación de compuertas AND, OR y NOT, tal como sugerimos en la figura 20. Note en la figura la notación: (~a), (~b), (~a.b), etc. El símbolo ~antes de una variable o función cumple la misma función que la rayita encima de dicha varia- ble o función, es decir, indica que esa variable o fun- ción está megada. Para obtener una compuerta NOR-EX debemos agregar una compuerta NOT a la salida de la com- puerta OR-EX vista anteriormente y su función es: s = ~(a . ~b + ~a . b) De acuerdo a lo dicho anteriormente, esto también lo podemos escribir cómo: _____________ __ __ s = (a . b + a . b) Para obtener Inversores (NOT) podemos hacer uso de compuertas NOR o compuertas NAND, simplemente uniendo sus entradas, figura 21. MAPAS DE KARNAUGHT A estas alturas ya estamos muy familiarizados con las funciones de todos los operadores lógicos y sus tablas de verdad, ahora ¿qué hacemos si disponemos sola- mente de compuertas con tres entradas (a, b y c) y deseo que los estados altos sólo se den en las combi- naciones 0, 2, 4, 5 y 6 (decimal)? ¿cómo combinamos las compuertas? y ¿qué compuertas utilizo? La respuesta a estas preguntas es la “simplificación de funciones”, técnica que emplea los denominados “mapas de Karnaught”, veamos de qué se trata. Es un método para encontrar la forma más sencilla de representar una función lógica. Introducción a la Electrónica Digital Electrónica Digital Muy Fácil 11 Figura 20 Figura 21 Cap 1 - Introduccion.qxd 7/9/12 6:30 AM Página 11
  14. 14. Esto es, encontrar la función que relaciona todas las variables disponibles, de tal modo que el resultado sea el que se está buscando. Para esto vamos a aclarar tres conceptos que son fundamentales: Minitérmino: Es cada una de las combinaciones posibles entre todas las variables disponibles, por ejem- plo con 2 variables obtienes 4 minitérminos; con 3 obtie- nes 8; con 4, 16 etc. Se puede encontrar la cantidad de minitérminos haciendo la operación 2n donde n es el número de variables disponibles. Numeración de un minitérmino: Cada minitérmino es numerado en decimal de acuerdo a la combinación de las variables y su equivalente en binario. En el cuadro de la figura 22 se indica cuál es cada uno de los cua- tro minitérminos posibles para dos variables. El Mapa de Karnaugh representa la tabla de verdad de una función a través de una matriz, en la cual en la primer fila y la primer columna se indican las posibles combinaciones de las variables. En la figura 23 tenemos los tres mapas para 2, 3 y 4 variables. Analicemos el mapa para cuatro variables, las dos primeras columnas (columnas adyacentes) difieren sólo en la variable d, y c permanece sin cambio, en la segunda y tercer columna (columnas adyacentes) cambia c, y d permanece sin cambio, ocurre lo mismo en las filas. En general se dice que: “Dos columnas o filas adyacentes sólo pueden diferir en el estado de una de sus variables” Según lo dicho anteriormente, la primer columna con la última serían adyacentes, al igual que la primer fila y la última, ya que sólo difieren en una de sus variables. Valor lógico de un minitérmino: es el que resulta de la operación que se realiza entre las variables. Lógicamente sólo pueden tomar los valores 0 ó 1. Para construir el mapa de Karnaught de una función, lo que haremos es colocar el valor de cada minitérmino según la tabla de verdad que estamos buscando. Supongamos la tabla de verdad de la figura 24. El siguiente paso, es agrupar los unos adyacentes (horizontal o verticalmente) en grupos de potencias de 2, es decir, en grupos de 2, de 4, de 8 etc. Nos que- daría la configuración de la figura 25. Capítulo 1 12 Club Saber Electrónica Nº 89 Figura 22 Figura 23 Figura 24 Figura 25 Cap 1 - Introduccion.qxd 7/9/12 6:30 AM Página 12
  15. 15. Para saber por qué están agrupados los números de la fila de abajo, debemos recordar que la primer columna y la última son adyacentes, por lo tanto sus minitérminos también lo son. De ahora en más a cada grupo de unos se le asigna la unión (producto lógico) de las variables que se man- tienen constante (ya sea uno o cero) ignorando aque- llas que cambian, tal como se puede ver en la figura 26. Para terminar, simplemente se realiza la suma lógica entre los términos obtenidos, dando como resultado la función que estamos buscando, es decir: f = (~a . ~b) + (a . ~c) También se puede escribir como: __ __ __ f = (a . b) + (a . c) Podemos plantear el tema como una función de variables, en nuestro ejemplo quedaría de esta forma: f(a, b, c) = s(0, 1, 4, 6) Donde: F es la función buscada (a, b, c) son las variables utilizadas (0, 1, 4, 6) son los minitérminos que dan como resul- tado 1 o un nivel alto. s es la sumatoria de las funciones que producen el estado alto en dichos minitérminos. Sólo resta convertir esa función en su circuito eléc- trico correspondiente. La función es: f = (~a . ~b) + (a . ~c) O sea: (NOT a AND NOT b) OR (a AND NOT c) El esquema eléctrico que le corresponde a esta ecuación se muestra en la figura 27. El resultado es un circuito con la menor cantidad de compuertas posibles, lo cual lo hace más económico, por otro lado cumple totalmente con la tabla de verdad planteada al inicio del problema y, además, recuerda que al tener menor cantidad de compuertas la transmi- sión de datos se hace más rápida. En la web puede encontrar un programa que hace todo este trabajo por su cuenta. El programa se llama Karma, creado por Pablo Fernández Fraga, vale la pena probarlo. OSCILADORES, MULTIVIBRADORES Y CIRCUITOS ASTABLES Existen tres circuitos digitales clasificados según la forma en que retienen o memorizan el estado que adoptan sus salidas, estos son: Circuitos Biestables o Flip-Flop (FF): Son aquellos que cambian de estado cada vez que reciben una señal de entrada (ya sea nivel bajo o alto), es decir retienen el dato de salida aunque desaparezca el de entrada. Conclusión: Poseen dos estados estables. Introducción a la Electrónica Digital Electrónica Digital Muy Fácil 13 Figura 26 Figura 27 Cap 1 - Introduccion.qxd 7/9/12 6:30 AM Página 13
  16. 16. Circuitos Monoestables: Estos circuitos cambian de estado sólo si se man- tiene la señal de entrada (nivel alto o bajo), si ésta se quita, la salida regresa a su estado anterior. Conclusión: Poseen un sólo estado estable y otro metaestable. Circuitos Astables o Aestables: Son circuitos gobernados por una red de tiempo R-C (Resistencia-Capacitor) y un circuito de realimentación. A diferencia de los anteriores se puede decir que no poseen un estado estable sino dos metaestables. Conclusión: Son los clásicos osciladores de dos esta- dos predecibles. OSCILADOR ASTABLE SIMÉTRICO CON COMPUERTAS NOT Es la clásica configuración de un oscilador con ciclo de actividad del 50%, compuesto por dos inversores realimentados por una red RC, figura 28. Para explicar el funcionamiento supongamos que en determinado momento la salida del inversor B está a nivel "1", entonces su entrada esta a "0", y la entrada del inversor "A" a nivel "1". En esas condiciones el capacitor C se carga a través de R y los inversores permanecen en ese estado. En la medida que el capacitor se carga, va cam- biando la tensión en sus placas. Cuando el capacitor alcanza su carga máxima, se produce la conmutación del inversor "A". Su entrada pasa a "0", su salida a "1" y la salida del inversor "B" a "0", se invierte la polaridad del capacitor y este se descarga, mientras tanto los inverso- res permanecen sin cambio, una vez descargado, la entrada del inversor "A" pasa nuevamente a "1", y comienza un nuevo ciclo. Este oscilador es simétrico ya que el tiempo que dura el nivel alto es igual al que permanece en nivel bajo, este tiempo esta dado por: T = 2,5 R C Donde: T es el período expresado en segundos R está en Ohm C se expresa en Farad OSCILADOR SIMÉTRICO CON COMPUERTAS NAND Y NOR Si recuerda lo visto en las l leyes de De Morgan sabrá que uniendo las entradas de compuertas NAND o com- puertas NOR se obtiene la misma función que los inver- sores o compuertas NOT, de forma tal que con estas compuertas también es posible armar un oscilador astable. En la figura 29 tenemos el circuito de un oscila- dor con compuertas NAND y en la figura 30 un oscilador con compuertas NOR. Puede sustirtuir una compuerta con un inversor, tal como se aprecia en la figura 31. Capítulo 1 14 Club Saber Electrónica Nº 89 Figura 28 Figura 29 Figura 30 Figura 31 Cap 1 - Introduccion.qxd 7/9/12 6:30 AM Página 14
  17. 17. Como puede comprender, es muy fácil construir un oscilador con frecuencia ajustable, basta con colocar una resistencia o un capacitor variable. En la figura 32 podemos apreciar un oscilador con frecuencia ajusta- ble. Otra opción, si se quiere “alimentar” a una pequeña bocina o parlante para poder tener sonidos, cuando la frecuencia está entre 100Hz y 10kHz es la configuración mostrada en la figura 33. Pruebe colocando un capacitor de 10µF y resisten- cias de 10kΩ para obtener frecuencias dentro del rango audible. Hasta puede reemplazar R por un potencióme- tro de 50kΩ y regular el sonido (es decir, su frecuencia). DISPARADORES SCHMITT TRIGGER Algo que no vimos hasta ahora son las compuertas SCHMITT TRIGGER o disparadores de Schimitt, son iguales a las compuertas vistas hasta ahora pero tienen la ven- taja de tener umbrales de conmutación muy definidos llamados VT+ y VT-, esto hace que puedan reconocer señales que en las compuertas lógicas comunes serían una indeterminación de su estado y llevarlas a estados lógicos definidos, mucho mas definidos que las com- puertas comunes que tienen un solo umbral de conmu- tación. En la figura 34 tenemos el esquema de un oscilador típico armado con una compuerta Schmitt Trigger. Supongamos que la salida está a nivel lógico “1”, C comienza a cargarse a través de R, a medida que la tensión crece en la entrada de la compuerta esta alcanza el nivel VT+ y produce la conmutación de la compuerta llevando la salida a nivel “0” y el capacitor comienza su descarga. Cuando el potencial a la entrada de la compuerta disminuye por debajo del umbral de VT-, se produce nuevamente la conmutación de la compuerta, pasando la salida a nivel “1” y se reinicia el ciclo. No sólo existen inversores Schmitt Trigger, sino tam- bién compuertas AND, OR, NOR, etc. OSCILADOR A CRISTAL Para aplicaciones en las que es preciso tener estabi- lidad en frecuencia es necesario contar con un oscila- dor de características especiales. Vea el circuito de la figura 35, se trata de un oscila- dor implementado con dos inversores y un Cristal de cuarzo, el trimer de 40pF se incluye para un ajuste fino de la frecuencia de oscilación, mientras el circuito osci- lante en si funciona con un solo inversor, se incluye otro para actuar como etapa separadora. Los osciladores vistos hasta el momento pueden ser controlados fácilmente y ahora veremos cómo hacerlo. Introducción a la Electrónica Digital Electrónica Digital Muy Fácil 15 Figura 32 Figura 33 Figura 34 Figura 35 Cap 1 - Introduccion.qxd 7/9/12 6:30 AM Página 15
  18. 18. OSCILADORES CONTROLADOS Se trata simplemente de controlar el momento en que estos circuitos deben oscilar. Tenemos dos opciones, que sean controlados por un nivel alto o por un nivel bajo. Si tenemos en cuenta que los osciladores vistos hasta el momento solo pueden oscilar cambiando el estado de sus entradas en forma alternada, lo que hare- mos será forzar ese estado a un régimen permanente, como dije anteriormente ya sea a “1” o a “0”. En la figura 36 tenemos nuestro primer ejemplo, utili- zando un diodo en la entrada del primer inversor. El principio de funcionamiento no es muy compli- cado, si el terminal de control está a nivel “0” el circuito oscilará, si está a nivel “1” dejará de hacerlo. Lo mismo ocurre con las otras compuertas, en la figura 37 podemos ver un oscilador controlado con una compuerta NOR, una de sus entradas forma parte del oscilador y la otra funciona como terminal de control. Si lo queremos hacer un oscilador con compuertas NAND, la configuración es igual que la anterior, solo que esta vez un "1" en la entrada de Control habilita al osci- lador y un "0" lo inhabilita, figura 38. MODULACIÓN POR ANCHO DE PULSO Cuando un principiante quiere controlar la veloci- dad de un motor de corriente continua, en general, varía la tensión aplicada a su arrollamiento lo que puede dificultar el arranque si el motor tiene asociado algún elemento que deba arrastrar. Para evitar este pro- blema, lo que se hace es aplicar pulsos de tensión, o sea, debemos generar una señal con ciclo de actividad variable, o sea, tratar de que los pulsos de salida no sean simétricos, por ejemplo que el nivel alto en la salida dure más que el nivel bajo, o quizás al revés y que podamos variar dicha situación a voluntad. Analicemos el circuito de la figura 39. De entrada ya sabemos que es un circuito astable, solo que esta vez el capacitor se descarga más rápida- mente utilizando el diodo como puente y evitando así pasar por R1. El efecto obtenido es que T1 es de mayor duración que T2. Podemos ajustar T1 si reemplazamos R1 por un potenciómetro. Los periodos de tiempo para T1 y T2 están dados en la gráfica de la misma figura. Un detalle más, si invertimos la polaridad del diodo obtendremos la situación inversa, es decir T2 > T1. MODULACIÓN POR ANCHO DE PULSO CONMUTADO Describiremos los mismos circuitos vistos anterior- mente pero adaptados para esta tarea. Aquí la cantidad de pulsos de salida depende de la duración del pulso de entrada. Vea el circuito de la figura 40. Aquel terminal que usábamos antes como terminal de control, ahora está como entrada de señal y la salida del circuito entregará una cierta cantidad de pul- Capítulo 1 16 Club Saber Electrónica Nº 89 Figura 36 Figura 37 Figura 38 Figura 39 Cap 1 - Introduccion.qxd 7/9/12 6:30 AM Página 16
  19. 19. sos mientras dure el pulso de entrada. Si observamos la forma de onda en la entrada y la comparamos con la salida nos daremos cuenta de su funcionamiento. DEMODULACIÓN DE SEÑALES Esta configuración es todo lo opuesto a lo anterior, es decir, tomamos una señal modulada y la remodu- lamos. Usaremos la configuración mostrada en la figura 41. Esta vez el tren de pulsos ingresa por el Inversor a, en el primer pulso positivo, la salida de a se pone a 0 y se carga el capacitor C a través del diodo D. Cuando la entrada de a se invierte el diodo queda bloqueado y C se descarga a través de R. Ahora bien, durante toda la transmisión de pulsos la salida de b permanece a nivel 1 ya que el tiempo de descarga del capacitor es mucho mayor que el tiempo de duración de cada pulso que ingresa por la entrada del inversor a. DOBLADOR DE FRECUENCIA Otra aplicación que se le puede dar a las compuer- tas lógicas es duplicar la frecuencia de una señal, para ello podemos usar el circuito de la figura 42. Observe las formas de onda obtenidas. Analicemos su funcionamiento; el flanco de des- censo de la señal de entrada es diferenciado por R1 y C1, y es aplicado a la entrada "a" de la compuerta NAND, esto produce un pulso a la salida de esta com- puerta según su tabla de verdad; "basta que una de las entradas este a nivel lógico bajo para que la salida vaya a nivel lógico alto". El flanco de subida del pulso de entrada, luego de ser invertido, es diferenciado y aplicado a la entrada "b" de la compuerta NAND, de modo que para un tren de pulsos de entrada de frecuencia f, hay un tren de pulsos de salida de frecuencia 2f. CIRCUITOS MONOESTABLES Los osciladores monoestables son aquellos que tie- nen un único nivel de salida estable. Para aclarar un poco las ideas... la mayoría de los edificios disponen de un pulsador que enciende momentáneamente las luces de los pasillos, transcurrido un cierto tiempo éstas se apagan. Conclusión; sólo disponen de un estado estable (apagado) y un estado metaestable (encen- dido), éstos estado se consiguen con circuitos oscilado- res monoestables. Monoestable Sencillo: Primero lo básico, en la figura 43 tenemos un mono- estable sencillo con un inversor. Consideramos inicialmente la entrada del inversor Introducción a la Electrónica Digital Electrónica Digital Muy Fácil 17 Figura 40 Figura 41 Figura 42 Figura 43 Cap 1 - Introduccion.qxd 7/9/12 6:30 AM Página 17
  20. 20. en nivel bajo, entonces su salida estará a nivel alto, ahora bien, un 1 lógico de poca duración en la entrada, hace que se cargue el capacitor y conmute el inversor entregando un 0 lógico en su salida la que per- manecerá en ese estado hasta que la descarga del capacitor alcance el umbral de histéresis de la com- puerta y entonces conmutará y regresará a su estado inicial... Monoestables con Dos Compuertas NOR Otra configuración para un circuito monoestable se puede apreciar en la figura 44. Fíjese que la compuerta b la podemos cambiar por un inversor. Para explicar el funcionamiento supongamos que no existe señal en la entrada, entonces la compuerta b tiene su entrada a nivel "1" por intermedio de R1, y su salida a nivel "0", la cual alimenta una de las entradas de a. Al estar ambas entradas de "a" a nivel "0" la salida de "a" estará a nivel "1". Como el capacitor C tiene sus dos extremos al mismo nivel no adquiere carga alguna. Si entregamos un impulso positivo a la entrada de a, su salida pasa inmediatamente a nivel "0" y C comienza a cargarse a través de R, la entrada de b se hace 0 y su salida 1, como ésta realimenta la compuerta a, la deja enganchada con su salida a nivel 0. Cuando la carga del capacitor alcanza el umbral de conmutación de "b" su salida pasa a 0 y la de a pasa a 1, esto hace que el capacitor se descargue a través de R1 y la línea de alimentación, dejando al cir- cuito listo para un nuevo disparo. Monoestables con Dos Inversores La diferencia aquí, esta en que el gatillado se realiza durante la excursión negativa del pulso de entrada, figura 45. Como puede observar, estos circuitos disponen de algún método de realimentación y un capacitor que es quien retiene momentáneamente una determinada señal lógica en la entrada de alguna de las compuer- tas implicadas en el circuito mientras se va cargando o descargando. CERRADURA CON TECLADO ELECTRÓNICO Una aplicación interesante utilizando solamente compuertas lógicas es una cerradura electrónica como la mostrada en la figura 46, que utiliza osciladores Capítulo 1 18 Club Saber Electrónica Nº 89 Figura 44 Figura 45 Figura 46 Cap 1 - Introduccion.qxd 7/9/12 6:30 AM Página 18
  21. 21. monoestables. La secuencia para activar la salida es el orden en que están numerados los pulsadores, eso sí, note que debe pulsar S0 y sin liberarlo activar S1, luego de eso puedes continuar con la secuencia correspon- diente. La idea es conectar cada pulsador a una tecla de un teclado de modo que solo el usuario sepa la secuencia que debe presionar, caso contrario no se activará la cerradura y se dará aviso a un sistema de alarma. Los botones libres del teclado deberían ir unidos a un sistema de alarma o hacer que se desactive momen- táneamente todo el sistema antes de ingresar un nuevo código, en fin tienes muchas opciones. En la salida deberíamos conectar un relé, un optoacoplador o algo por el estilo para accionar la cerradura electrónica. En realidad la intención de esta práctica es darle una utilidad a los circuitos monoestables. Los compo- nentes utilizados son los siguientes: D1 a D4 = 1N4148 R1 a R6 = 1k R7 a R9 = 2k2 C1 a C3 = 1nF C4 = 1000µF / 16V IC1 = CD4081 S1 a S5 = Teclas de un teclado CIRCUITOS BIESTABLES Los circuitos biestables son muy conocidos y emple- ados como elementos de memoria, ya que son capa- ces de almacenar un bit de información. En general, son conocidos como Flip-Flop y poseen dos estados estables, uno a nivel alto (1 lógico) y otro a nivel bajo (cero lógico). Aclaración: Es posible que al presionar el pulsador se produz- can rebotes eléctricos, es como haberlo presionado varias veces, y de esta manera, los resultados serán totalmente inesperados, así que al hacer prácticas en protoboard el uso de cablecitos para probar estos cir- cuitos no nos servirán de mucho, es conveniente utili- zar un pulso de reloj para realizar estas pruebas pro- ducido por un oscilador astable como los vistos ante- riormente. De ahora en más lo llamaremos pulso de reloj “Clock o CK”. Por lo general un Flip-Flop dispone de dos señales de salida, una con el mismo valor de la entrada y otra con la negación del mismo o sea su complemento. Veamos entonces cuáles son los Flip-Flops (FF) básicos: FLIP FLOP BÁSICO RS Se puede construir un FF fácilmente utilizando dos compuertas NAND o NOR conectadas de tal forma de realimentar la entrada de una con la salida de la otra, quedando libre una entrada de cada compuerta, las cuales serán utilizadas para control Set y Reset, tal como podemos observar en la figura 47. Las resistencias R1 y R2 utilizadas en ambos casos son de 10kΩ y las puse solamente para evitar estados indeterminados, observa el circuito con compuertas NOR. Un nivel alto aplicado en Set, hace que la salida negada (~Q) sea 0 debido a la tabla de verdad de la compuerta NOR, al realimentar la entrada de la segunda compuerta y estando la otra a masa, la salida normal Q será 1. Ahora bien, esta señal realimenta la primer compuerta, por lo tanto no importan los rebotes, y el FF se mantendrá en este estado hasta que le des un pulso positivo a la entrada Reset. Recuerde que ~ es el símbolo que empleamos para indicar que una entrada o una salida está negada. Conclusión: El biestable posee dos entradas Set y Reset que tra- Introducción a la Electrónica Digital Electrónica Digital Muy Fácil 19 Figura 47 Cap 1 - Introduccion.qxd 7/9/12 6:30 AM Página 19
  22. 22. bajan con un mismo nivel de señal, provee dos salidas, una salida normal Q que refleja la señal de entrada Set y otra ~Q que es el complemento de la anterior. Si comparas los dos flip-flop representados en el grá- fico, verás que sólo difieren en los niveles de señal que se utilizan, debido a la tabla de verdad que le corres- ponde a cada tipo de compuerta. FLIP FLOP RS - Controlado por un Pulso de Reloj En este caso vamos a utilizar el ejemplo de las com- puertas NAND, pero le agregaremos dos compuertas más, y uniremos la entrada de cada una a una señal de Reloj, tal como queda expresado en el circuito de la figura 48. Según lo dicho mas arriba, necesitamos un genera- dor de pulsos (astable) para conectarlo en la entrada Clo CK, una vez que lo tenemos pasamos a interpretar el circuito. Si ponemos un 0 en Set y la entrada CK está a 1 ocu- rrirá todo lo que se describe para el FF RS recién anali- zado. Veamos que ocurre cuando CK pasa a 0, figura 49: El FF se mantiene sin cambios en Q y ~Q.El FF se mantiene sin cambios en Q y ~Q. Fíjese que ahora no importa el estado de Set y Reset, esto se debe a su tabla de verdad (basta que una de sus entradas sea 0 para que su salida sea 1) por lo tanto Set y Reset quedan inhabilitadas. Es decir que se leerán los niveles de Set y Reset sólo cuando la entrada Clock CK sea 1. NOTA 1: El primer circuito que vimos (Flip-Flop simple) es llamado Flip-Flop Asíncrono ya que puede cambiar el estados de sus salidas en cualquier momento, y sólo depende de las entradas Set y Reset. NOTA 2: El segundo circuito es controlado por una entrada CK y es llamado Flip-Flop Síncrono o Sincrónico ya que el cambio de estado de sus salidas esta sincro- nizado por un pulso de reloj que realiza la lectura de las entradas en un determinado instante. Antes de continuar quiero mostrarte algo muy intere- sante, no es la única forma de obtener un Flip-Flop, observemos lo siguiente: FLIP FLOP con un Inversor En la figura 50 tenemos un FF un poco “revoluciona- rio”. La ventaja aquí es la cantidad de compuertas utili- zadas. Analice el circuito y comprenderá que se lo puede emplear de forma idéntica al circuito de la figura 47, es decir, son equivalentes. Bien, el flip-flop analizado, conocido como flip-flop RS, suele presentar un estado indeterminado cuando sus dos entradas R y S se encuentran en estado alto así que veamos como se puede solucionar este inconve- niente. FLIP FLOP D En este circuito no existe la posibilidad de que las dos entradas estén a nivel alto, ya que posee un inver- sor entre una y otra, de tal modo que: Capítulo 1 20 Club Saber Electrónica Nº 89 Figura 48 Figura 49 Figura 50 Cap 1 - Introduccion.qxd 7/9/12 6:30 AM Página 20
  23. 23. R = ~S Observe el circuito de la figura 51, aquí se supone la entrada “Dato” está a nivel 0. En la figura 52 vemos que ocurre cuando la entrada Dato, pasa a 1 y CK cambia de estado pasando tam- bién a 1, según como se van transmitiendo los datos por las compuertas resulta Q=1 y ~Q=0. Para que el flip-flop retorne a su estado inicial, la entrada Dato D deberá pasar a 0 y sólo se transferirá a la salida si CK es 1. Nuevamente se repite el caso que para leer el datos debe ser CK=1. En forma general se representa el filp-flop D con el símbolo mostrado en la figura 53. FLIP FLOP Master-Slave Se trata de un arreglo de dos FF independientes. El primero actúa como Master y el otro como Slave. Con la diferencia de que en este caso las entradas Set y Reset son realimentadas por las salidas Q y ~Q respec- tivamente, quedando libre únicamente la entrada CK, figura 54. Considerando CK=0, será la salida Q=0 y ~Q=1, al momento del cambio de nivel de CK (CK=1), sólo cam- biaran las salidas del primer flip-flop (Master) sin afectar las salidas Q y ~Q. Ahora bien, cuando CK regrese a su estado inicial (CK=0) el Slave conmutará las salidas Q y ~Q que- dando Q=1 y ~Q=0. Al cambiar de estado CK (CK=1) las salidas no serán afectadas. Esto se puede resumir en una pequeña tabla de verdad, como la mostrada en la figura 55. A este tipo de Flip-flop, se le ha dado la posibilidad de preestablecer el estado de sus salidas, adicionán- dole dos entradas más, Preset (Pr) y Clear (Clr), que ven- drían a ser algo así como Set y Reset respectivamente, pero claro, hay que advertir que se debe evitar la situa- ción Pr=Clr=0 También tiene una forma de representación simbó- lica y se muestra en la figura 56. FLIP FLOP JK Un flip-flop JK es muy similar al visto anteriormente, Introducción a la Electrónica Digital Electrónica Digital Muy Fácil 21 Figura 51 Figura 52 Figura 53 Figura 54 Figura 55 Figura 56 Cap 1 - Introduccion.qxd 7/9/12 6:30 AM Página 21
  24. 24. pero mucho más complejo que éste, y existen circuitos integrados que ya lo traen incorporado así que, por cuestiones de sencillez, y para no complicarte dema- siado utilizaré su representación simbólica (figura 57). Lo vamos a analizar de forma sencilla haciendo uso de la tabla de verdad que corresponde al funciona- miento del flip-flop y que se muestra en la figura 58. Las dos primeras líneas indican que las entradas Clr y Pr establecen el estado de las salidas Q y ~Q sin importar el estado en que se encontraban anterior- mente, ni el estado de las otras entradas (J, K y CK). En la tercera y cuarta línea se han establecido las entradas Clr y Pr a nivel 1 y las salidas Q y ~Q perma- necen en cualquiera de los dos estados mencionados anteriormente, según el que se haya establecido...!!!, ahora bien si se mantiene CK=0 las salidas Q y ~Q per- manecen sin cambio (Sc), lo mismo ocurre si se man- tiene CK=1, y continúa así en los cambios ascenden- tes de CK, y como podrás notar en la siguiente línea, si estableces J=K=0 queda sin importancia la entrada CK y sin cambio las salidas. En la séptima y octava línea se transfieren los datos de las entradas J y K a las salidas Q y ~Q respectiva- mente, pero esto sólo ocurrirá en la transición ascen- dente de CK. Finalmente con Clr=Pr=J=K=1 el flip-flop Cambiará Siempre (Cs) cada vez que se presente una transición descendente de CK. Y hasta aquí..., la idea fue mostrarle las ventajas y des- ventajas de cada uno de estos circuitos, le recuerdo que no necesita armar uno de estos embrollos de compuer- tas, ya que existen integrados que las contienen, como el CD4027 que es un doble flip-flop JK maestro-esclavo o el CD4013 que es un doble flip-flop tipo D. ☺ Capítulo 1 Figura 57 Figura 58 Cap 1 - Introduccion.qxd 7/9/12 6:30 AM Página 22
  25. 25. CCAPÍTULAPÍTUL OO 22 ELECCIÓN DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS DIGITALES FAMILIAS LÓGICAS Los diferentes elementos analizados en el capítulo 1 (compuertas y osciladores) se ofrecen en circuitos integrados que poseen uno o más elementos y están fabricados con diferentes materiales, cada uno con características propias. Los circuitos integrados digitales se dividen en familias lógicas, cada una constituida por un tipo particular de circuito lógico que se uti- liza en los chips de esa familia para todas las compuertas, inversores, Flip-Flops y elementos más complejos. Los elementos de una familia lógica son compatibles entre sí. Es decir que sus niveles lógicos son los mismos y trabajan con la misma tensión, pudiendo la salida de un elemento lógico alimentar la entrada de otro. Las características generales de los circuitos integrados digitales (tiempo de propagación, inmunidad al ruido, potencia disipada, etc.) son preponderantes en el momento de seleccionar un determinado circuito integrado. Algunas veces hay otros factores importantes a tener en cuenta, como la complejidad y el tipo de cápsula a emplear, el costo del componente, la posible compatibilidad con otras familias, el margen de temperatura de trabajo, etc. En este capítulo analizaremos cada una de las familias lógicas para que el estudiante sepa qué circuito integrado es aconsejable uti- lizar para una aplicación determinada. Electrónica Digital Muy Fácil 23 Cap 2 - Flias Lógicas.qxd 7/9/12 6:31 AM Página 23
  26. 26. INTRODUCCIÓN En la comparación entre las distintas familias lógicas, existen familias que son aconsejables en algunas apli- caciones y no aconsejables en otras. A veces, la propia naturaleza de los circuitos electrónicos exige que no exista una característica para no perjudicar otra. Por ejemplo, el incremento de la velocidad aumenta nor- malmente el consumo de potencia. Cada familia tiene sus características predominantes y tiende a utilizarse en aquellas aplicaciones en que esas características son las más importantes. Hay ramificaciones dentro de una misma familia cuando es necesario destacar alguna característica. Así, por ejemplo, dentro de la familia TTL de propósitos general se han creado subfamilias tales como TTL de alta velocidad (H) y TTL de bajo consumo (LS). Para entender mejor de qué estamos hablando, definiremos algunos conceptos que serán utilizados más adelante. Por ejemplo, el nivel de integración está dado por la cantidad de compuertas lógicas que pueden integrarse en una misma pastilla, en un mismo chip. FAMILIAS LÓGICAS Veamos entonces, cómo se pueden costruir las dife- rentes familias de circuitos integrados, a las cuales po- demos agrupar de la siguiente manera, atentos a los componentes que intervienen en los circuitos eléctricos correspondientes: - Familia RTL - Familia DTL - Familia TTL - Familia CMOS Familia RTL (Resistor Transistor Logic) Fue la primera de las familias, quedando en desuso en la actualidad. El circuito básico de la familia RTL es la compuerta NOR que emplea resistores y transistores en su circuito eléctrico. El circuito eléctrico de esta compuerta (construida con técnica RTL) está mostrado en la figura 1. El tiempo de propagación de la RTL es algo superior a los 10ns, con un consumo de potencia del orden de los 10mW por compuerta. Si en cualquiera de las entradas se coloca un "1", el transistor correspondiente se satura y la tensión de salida es aproximadamente 0 volt, que corresponde a un "0" lógico. Si todas las entradas están en "0", los transistores están cortados; por lo tanto, la tensión de salida es apro- ximadamente igual a Vcc, que corresponde a un "1" ló- gico. Como ventajas podemos mencionar un bajo con- sumo y costo reducido. Las principales desventajas son las siguientes: * Baja capacidad de fan-out (del orden 4) * Bajo margen de ruido * Baja velocidad Familia DTL (Diode Transistor Logic) Como los niveles lógicos y la alimentación de las fa- milias TTL y DTL son compatibles, ambas familias pue- den emplearse en el mismo circuito. El circuito básico de la familia DTL es la compuerta NAND y en la figura 2 se representa el circuito eléctrico de esta compuerta de tres entradas. Básicamente, al circuito lo podemos considerar co- mo una compuerta AND seguida de un inversor. Capítulo 2 24 Club Saber Electrónica Nº 89 Figura 1 Figura 2 Cap 2 - Flias Lógicas.qxd 7/9/12 6:31 AM Página 24
  27. 27. La compuerta AND está realizada con diodos y el in- versor es un transistor, como vimos antes. Cuando cualquiera de las entradas está baja, el dio- do correspondiente conduce a través de R1. En el pun- to P se establece una tensión del orden de 0,7V, la cual no es suficiente para superar los 1,4V que se necesitan para que el D4 y D5 conduzcan y, por lo tanto, al estar cortados D4 y D5, el transistor estará cortado, con lo cual la tensión de salida será igual a Vcc (que corres- ponde a un "1" lógico). Si todas las entradas están altas, los diodos D1, D2 y D3 están cortados. Conducen D4 y D5 a través de R1, llegando la corriente a la base del transistor, que pasa a la saturación, causando un estado lógico "0" a la salida. En el punto P: Vp = 0,7 + 0,7 + 0,8 = 2,2V La caída de potencial en cada diodo D1, D2, D3 será: 5V - 2,2 = 2,8V Esta tensión se aplica en el sentido inverso, por lo cual no conducen. El tiempo de propagación de esta familia es del or- den de 25ns y la disipación por compuerta es del orden de 15mW. Familia TTL (Transistor Transistor Logic) Es la familia más usada. Todos los fabricantes de cierta importancia tienen una línea de productos TTL y distintas empresas producen circuitos integrados digita- les. El circuito de la figura 3 corresponde a una NAND TTL Standard. La tensión de alimentación es única, de 5V, y es compatible con todos los circuitos de otras subfami- lias TTL, como así también con la DTL. Tienen un tiempo de propagación típico de 10ns, fan-out de 10, margen de ruido de 400mV, una poten- cia de disipación de 10mW por compuerta y una fre- cuencia máxima de reloj de 35MHz. La compuerta básica TTL es la NAND, que introduce una serie de innovaciones respecto a la NAND DTL que vimos antes. Estas principales diferencias son: - La compuerta AND de entrada está constituida por el resistor R1 y el transistor multiemisor Q4, que cumple la misma función que los diodos D1, D2 y D3 de la DTL. El reemplazo de los diodos por el transistor tiene la ventaja de aumentar la velocidad de conmutación; es decir, disminuir el tiempo de propagación. - El diodo base colector de Q4 equivale al diodo D4 de la DTL. - El diodo base emisor de Q3 equivale al diodo D5 de la DTL. El principio de funcionamiento es similar al de la fa- milia DTL, con la ventaja de que el reemplazo de los dio- dos por transistores permite disminuir el tiempo de pro- pagación. El circuito consta de tres etapas: una asociada al transistor Q4, encargada de adaptar los niveles de en- trada; otra de conmutación, con el transistor Q3, y una de salida formada por Q2 y Q1. El transistor Q1 es el que da el estado lógico de salida. En TTL, los niveles lógicos que se emplean hacen que el estado lógico "1" corresponda a una tensión entre 2 y 5 volt y el estado lógico "0" corresponda a una tensión entre 0 y 0,8 volt. La tensión en la base de Q4 no puede superar los 2,1V, ya que el circuito visto desde la base de Q4 consta, hasta llegar a tierra, de las uniones B-C de Q4, B-E de Q3 y B-E de Q1. Si una de las entradas está en el nivel lógico bajo (por ejemplo, en la entrada A) entonces hay una tensión inferior a 0,8 volt en la unión base-emisor de Q4, con lo cual el transistor conduce, dando lugar a una corriente que pasa por R1 y por la unión base-emisor de Q4. Al es- Electrónica Digital Muy Fácil 25 Familias Lógicas Figura 3 Cap 2 - Flias Lógicas.qxd 7/9/12 6:31 AM Página 25
  28. 28. tar Q4 saturado, la tensión colector-emisor es pequeña y, en estas condiciones, la tensión base-emisor de Q3 no es suficiente para que Q3 conduzca. Para que Q3 conduzca se necesita como mínimo una tensión de 1 volt (0,5V de la VBE de Q3 y 0,5V de la VBE de Q1, y pa- ra saturar a Q3 se necesita como mínimo 1,6V; es decir, 0,8V de VBE de Q3 más 0,8V de VBE de Q1). Si Q3 está cortado, Q1 también estará cortado, y la tensión de salida corresponde a "1", que en TTL equiva- le a una tensión VoH >- 2,4 volt. Al estar Q3 y Q1 corta- dos, el transistor Q2 está saturado, ya que recibe una corriente de base a través de R2, D1 y la carga conec- tada a la salida. En resumen: cuando una entrada está baja, Q4 conduce, Q3 y Q1 están cortados y Q2 está saturado. En estas condiciones la tensión de salida será: Vs = Vcc - (VR2 + VBE(Q2) + VD1) VR2 es menor que 0,5V, lo que hace que Vs > 2.6V, que corresponde a un "1" lógico. Si todas las entradas están en un nivel lógico alto, aplicando un análisis similar, se deduce que Q2 está cortado, Q1 saturado y la tensión de salida será un "0" lógico. TTL con salida a colector abierto El circuito que analizamos, representado en la figura 3, tiene una salida que se denomina TOTEM-POLE donde la carga del transistor Q1 (de salida) no es un resistor, si- no el transitor Q2, dando lugar a una baja impedancia de salida que permite mayor velocidad de conmuta- ción. Otra variante de esta compuerta es la TTL con sa- lida a colector abierto, cuyo esquemático se muestra en la figura 4. La diferencia en la compuerta NAND TTL, con salida TOTEM-POLE, es que la carga de Q1 no es el transitor Q2, sino un resistor Rc que se coloca exteriormente. De esta manera, al dejar el colector abierto, se tiene la posibili- dad de utilizar exteriormente otra carga que sea acep- tada por el transistor. Un esquema a colector abierto permite, por ejemplo, conectar un circuito indicador de salida con el objeto de que el usuario sepa en qué es- tado se encuentra el circuito. Otra posibilidad de la tecnología TTL con colector abierto es realizar el montaje llamado "Y por conexión" o "AND cableada", permitiendo la conexión directa de las salidas de dos o más compuertas, tal como queda es- pecificado en la figura 5. En la figura 6 se puede apreciar un símbolo tradicio- nal para familias que tienen salidas con colector abierto aunque el símbolo lógico recomendado por el IEEE pa- ra esta conexión se grafica en la figura 7. El fabricante del circuito integrado especifica en la hoja de datos si la compuerta tiene salida TOTEM-POLE o colector abierto. En la tecnología TTL de colector abierto, para hacer la conexión directa de dos o más compuertas se deben conectar los colectores de los dos transistores de salida con un único resistor a la fuente de alimentación Vcc. El esquema del conexionado AND cableado se represen- ta en la figura 8. Capítulo 2 26 Club Saber Electrónica Nº 89 Figura 4 Figura 5 Figura 6 Figura 7 Cap 2 - Flias Lógicas.qxd 7/9/12 6:31 AM Página 26
  29. 29. Si cualquiera de los dos transitores de salida va al es- tado de saturación, es decir, la tensión de salida es la VCE SAT, la salida Z será un "0" lógico. Tenemos entonces que un "0" en Z1 o en Z2 pone un "0" en Z. Para que la salida sea alta, es necesario que los transitores Q1 de salida de ambas compuertas estén cortados. En la realización de funciones lógicas con compuer- tas, la utilización de la conexión AND cableada permite, en algunos casos, simplificar el circuito lógico. La tecnología TTL con salida TOTEM-POLE no permite realizar el montaje "Y por conexión" o "AND cableada", ya que si la salida de una compuerta es "0" (es decir Q1 saturado y Q2 cortado) y de la otra compuerta es "1" (es decir Q1 cortado y Q2 saturado), al unir directamente los colectores de Q1, la salida de una de las compuer- tas queda conectada a tierra a través del transistor sa- turado de la otra, creando un camino de baja resisten- cia entre Q1 y Q2, lo cual supera la corriente máxima admisible y el transitor se destruye. TTL de tres estados (Thre State) Cuando se desea conectar varias compuertas a una línea común (línea ómnibus), es necesario que sólo un circuito quede "conectado" mientras los restantes se deben comportar como si no estuvieran. Esta conexión no se puede realizar con circuitos de la familia TTL con salida TOTEM-POLE, ya que siempre uno de los transitores de salida está conduciendo. Este inconveniente se solu- ciona agregando una entrada de inhibición I, que hace que ambos transitores de salida pasen al estado de cor- te, con lo cual el circuito de salida se aisla de la carga; es decir, el circuito presenta una alta impedancia. En la figura 9 se representa una compuerta NAND de tres estados que son: - Estado lógico "0" - Estado lógico "1" - Estado de alta impedancia Si I está alta, permite desconectar la salida de la car- ga; por lo demás, el circuito continúa operando en dos estados lógicos. Si se aplica un "1" a la entrada de inhibición del cir- cuito de la figura 9, conduce Q7 y se satura Q6, que- dando su colector y también uno de los emisores de Q1 sin tensión, con lo que se bloquea Q2 y Q5 va al corte. Por otro lado, a través del diodo, independientemen- te de los niveles que existan en A y B, Q3 y Q4 quedan bloqueados, con lo cual la impedancia de salida es elevada, consiguiéndose así un tercer estado diferente del alto y del bajo, que se denomina de alta impedan- cia y que permite que las salidas de estas compuertas puedan unirse entre sí. La tabla de verdad de esta com- puerta es la siguiente: I B A Z 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 ALTA IMPEDANCIA 1 0 1 ALTA IMPEDANCIA 1 1 0 ALTA IMPEDANCIA 1 1 1 ALTA IMPEDANCIA Electrónica Digital Muy Fácil 27 Familias Lógicas Figura 8 Figura 9 Cap 2 - Flias Lógicas.qxd 7/9/12 6:31 AM Página 27
  30. 30. En la figura 10 se representa el símbolo lógico pro- puesto por el IEEE para una compuerta NAND de tres es- tados. Cuando hay varias compuertas de este tipo con sus salidas conectadas, sólo existirá una con su entrada de inhibición baja, con lo que dicha compuerta se com- porta normalmente. Para que tenga una idea más cla- ra, en la figura 11 se ven conectadas tres compuertas NAND de tres estados, tal que si, en la compuerta (1), la entrada de inhibición está en "0" y el resto de las com- puertas tiene I en "1", la compuerta (1) estará habilitada y sus entradas controlarán el estado lógico de la salida común. La entrada de inhibición es la que controla qué compuerta actúa sobre la salida común. Siempre se debe habilitar una sola compuerta por vez. Dicho de otra manera: funciona como un multiplexor, tal como veremos más adelante. Compuerta AND TTL Además de la compuerta NAND básica, la familia TTL tiene otros elementos lógicos tales como compuer- tas AND, OR, NOR y EXCLUSIVE-OR. En la figura 12 se tiene una compuerta AND de dos entradas cuyo circuito es similar al de la compuerta NAND, a excepción del transistor Q6, que se añade en- tre Q3 y la salida Q2/Q1 con el propósito de invertir la se- ñal que sale del colector de Q3. El transistor Q5 que se agrega actúa como una ba- ja impedancia de base para Q6. Si cualquiera de las entradas está en estado bajo, el diodo base emisor de Q4 correspondiente se encuentra en conducción. Esto provoca el bloqueo del diodo base-colector de Q4 y con ello el bloqueo de Q3 y Q5. En estas condiciones, Q6 se encuentra conduciendo, lo que provoca la satu- ración de Q1 y el corte de Q2, con lo cual la salida es un "0" lógico. Esto significa que un "0" a la entrada pone un "0" a la salida. Si las entradas están todas altas, el diodo base-co- lector de Q4 provoca la conducción de Q3 y Q5. Q6 se corta, ya que su base se encuentra prácticamente a ni- vel masa a través de Q5 que está saturado. El bloqueo de Q6 significa el bloqueo de Q1 y la conducción de Q2. A la salida tenemos un estado lógi- co "1". Por todo lo dicho, el inversor Q6 ha convertido una compuerta NAND en una compuerta AND. La familia TTL analizada corresponde a la serie de cir- cuitos integrados digitales que se identifican comercial- mente con el prefijo 54 ó 74. A partir de esta familia TTL estándar se han introduci- do algunas modificaciones que han dado origen a otras series de circuitos integrados digitales TTL, tales co- mo la serie de baja potencia, la de alta velocidad, la Schottky, la de alta velocidad y baja potencia, la de al- Capítulo 2 28 Club Saber Electrónica Nº 89 Figura 10 Figura 11 Figura 12 Cap 2 - Flias Lógicas.qxd 7/9/12 6:31 AM Página 28
  31. 31. ta inmunidad al ruido, etc. Analicemos cada subfamilia de las nombradas: TTL de baja potencia (Low power TTL, serie 54L/74L) El circuito TTL de baja potencia es igual al visto para la TTL normal, sólo que se han incrementado los valores de los resistores dando como resultado una menor co- rriente y, por lo tanto, un consumo más pequeño (del or- den de 1mW). Como consecuencia del aumento de estos valores, disminuye el consumo, pero aumenta el tiempo de propagación típico a 33ns, con una frecuen- cia máxima de 3MHz de funcionamiento. Se emplean en casos que requieren bajo consumo y mínima disipación, sin que se necesite alta velocidad de reacción. TTL de alta velocidad Es la serie "High speed TTL" o serie 54H/74H. Utiliza va- lores de resistores inferiores a los utilizados en la TTL están- dar, lo que permite disminuir el tiempo de propagación a costa de aumentar el consumo. Los parámetros típicos de esta subfamilia TTL son un tiempo de propagación de 6ns, un consumo de 22mW por compuerta y una frecuencia máxima de 50MHz. TTL Schottky Esta serie, denominada STTL y conocida comercial- mente bajo el prefijo 54S o 74S, es la más rápida de las subfamilias TTL. El circuito es similar a la TTL de alta velo- cidad, con el reemplazo de los diodos y transistores por diodos y transistores Schottky, que se caracterizan por su rapidez, ya que no almacenan cargas. La ausencia de carga almacenada reduce el tiempo de conmutación, aumentando la velocidad del circuito. Tienen un tiempo de propagación típico de 3ns, un consumo de 20mW y una frecuencia máxima de 125MHz. El símbolo, tanto del diodo como del transistor Schottcky, se representa en la figura 13. TTL Schottky de baja potencia La serie "Low power Schottky o "54LS/74LS" es la más reciente de la familia TTL; con ella se consigue una solu- ción de compromiso entre la velocidad de conmuta- ción y el consumo. El circuito es similar al correspondien- te a la familia TTL Schottky, con la diferencia que se ha aumentado el valor de los resistores para disminuir el consumo y se suprime el transistor multiemisor por un cir- cuito del tipo DTL. Tiene una propagación típica de 9,5ns y un consu- mo por compuerta de 2mW, con una frecuencia máxi- ma para Flip-Flop de 45MHz. Familia HTL En la figura 14 se grafica el circuito correspondiente a una compuerta NAND del tipo HTL. La característica principal de esta familia es su alta inmunidad al ruido, por lo que se la emplea en ambien- tes industriales y en el manejo de dispositivos electrome- cánicos. El circuito es similar al de la familia DTL, pero los va- lores de R1, R2 y R4 son más elevados y la Vcc es de 15V. Los diodos D4 y D5 de la DTL se reemplazan por el diodo Zener y el transistor Q1. La inmunidad al ruido es del orden de 5V; el tiempo de propagación es el más alto de todas las familias y es del orden de 150ns. Familia ECL (Lógica acoplada por emisor) La lógica acoplada por emisor es la familia de alta velocidad por excelencia. Electrónica Digital Muy Fácil 29 Familias Lógicas Figura 13 Figura 14 Cap 2 - Flias Lógicas.qxd 7/9/12 6:31 AM Página 29
  32. 32. En este tipo de lógica, los transistores no se saturan, con lo que se evita el problema de almacenamiento de portadores minoritarios en la región de base y, en consecuencia, se disminuye el tiempo de propagación. La ECL se subdivide en diferentes subgrupos en fun- ción del tiempo típico de propagación: 1) tp = 8ns; fmáx = 30MHz; Pd = 30mW 2) tp = 4ns; fmáx = 75MHz; Pd = 22mW 3) tp = 2ns; fmáx = 125MHz; Pd = 25mW 4) tp = 1ns; fmáx = 400MHz; Pd = 60mW La subfamilia más aceptada es la de tp = 2ns, ya que compatibiliza la velocidad y el consumo. Dada la rapidez de la familia ECL, se utiliza en gran- des computadoras y en sistemas de comunicaciones. La figura 15 muestra una compuerta de la familia ECL de 2ns con salida OR y NOR simultáneamente. Note el amplificador diferencial de entrada formado por Q1, Q2, Q3 y Q4, que conducen la corriente depen- diendo de las entradas A y B; además controlan la satu- ración de Q5 y de Q6 para producir una salida OR y NOR. La tensión de alimentación es de -5,2V. Los niveles lógicos, en lógica positiva, son de -0.7V para el "1" y -1,6V para el "0", es decir que la diferencia de niveles es del orden de los 900mV. Cada compuer- ta dispone de la salida y su complemento. Familia CMOS La familia lógica CMOS (transistores de metal óxido semiconductor complementarios) está caracterizada por su bajo consumo. Es la más reciente de todas las grandes familias y posee la ventaja fundamental de operar con un amplio rango de tensiones de alimenta- ción, como veremos más adelante. El elemento básico de la familia CMOS es el inversor del esquema presentado en la figura 16. Está constituido por dos transistores de efecto de campo (FET), uno de canal P y otro de canal N. Durante el funcionamiento, uno u otro está activado, producién- dose a la salida un "0" o un "1" lógico. Los drenajes y las compuertas (gates) de ambos transistores están unidos entre sí. La unión de las compuertas constituye la entrada del inversor y la unión de ambos drenajes constituye la sali- da del inversor. Una de las fuentes se conecta a la ten- sión de alimentación y, la otra, a masa. Se trabaja con lógica positiva. Si la entrada es un "1" (VG = +VDD), el transistor Qn conduce y el Qp está al corte, por lo que la salida es un "0" lógico. Cuando la entrada es un "0" (VG = 0V), el Qp conduce y el Qn es- tá al corte, por lo que la salida está prácticamente a +VDD (en realidad un poco menos que VDD por la caí- da en el canal conductor), lo que corresponde a un "1" lógico. Vemos, entonces, que prácticamente no condu- cen ambos transistores a la vez, con lo cual se reduce el consumo. Por poseer transistores CMOS, esta familia se diferencia de la TTL en lo siguiente: a) Bajo consumo. Una compuerta CMOS consume 0,01mW en condiciones estáticas (cuando no cambia de estado). En la forma de operar del inversor anterior, uno de los dos MOS se encuentra siempre al corte y teórica- mente no hay circulación de corriente (sin embargo, existe una débil corriente de fuga en el MOS que está Capítulo 2 30 Club Saber Electrónica Nº 89 Figura 15 Figura 16 Cap 2 - Flias Lógicas.qxd 7/9/12 6:31 AM Página 30
  33. 33. Electrónica Digital Muy Fácil 31 Familias LógicasPARAMETROTTLTTLALTATTLTTLBAJOTTLLPCMOSECLECLECLHTLDTLRTL ESTANDARVELOCIDADSCHOTTKYCONSUMOSCHOTTKY4ns2ns1ns CircuitoNANDNANDNANDNANDNANDNORoOR/NOROR/NOROR/NORNANDNANDNOR básicoNAND FAN-OUT101010101050omás2525101085 Tensiónde3a alimentación5V5V5V5V5V18V5,2V-5,2V-5,2V15V5V3V 0,01mW Disipaciónestimado por10mW22mW19mW1mW2mW1mW22mW25mW60mW55mW15mW10mW compuertaa1MHz MargendeMuy ruidoBuenoBuenoBuenoBuenoBuenoBuenoBuenoBuenoBuenoExcelenteBuenoBajo Frec.típica12a30 p/Flip-Flop35MHz50MHz125MHz3MHz45MHz5MHz75MHz125MHz400MHz4MHzMHz8MHz Tiempode25nsa propagación50ns por10ns6ns3ns33ns9,5nso4ns2ns1ns150ns25ns12ns compuertamás Tabla1 Cap 2 - Flias Lógicas.qxd 7/9/12 6:31 AM Página 31
  34. 34. al corte, debido a los portadores minoritarios del ca- nal). En condiciones dinámicas, es decir, al efectuarse la conmutación, un MOS pasa del estado de corte al de conducción y el otro MOS de conducción al corte. Exis- te un instante en el que los dos MOS están conducien- do y originan un pico de corriente. La potencia dinámica disipada crece linealmente con la frecuencia y con el cuadrado de la tensión de la tensión de alimentación VDD. Para VDD = 10V y f = 50kHz, la potencia disipada es el orden de 0,1mW por compuerta. b) Los circuitos CMOS tienen elevada inmunidad al ruido. Normalmente este valor ronda entre el 30 y el 45% de VDD. Este margen de ruido sólo es comparable con la familia HTL. c) Utilización exclusiva de transistor MOS en la realización de las compuertas. Esto permite lograr una gran densidad de componentes en un circuito integra- do y, por lo tanto, la realización de circuitos en LSI y VL- SI. d) Alto fan-out, del orden de 50 o más. e) Tensión de alimentación en un amplio rango de +3V a +18V Debido a todo esto, la familia CMOS se emplea principalmente en circuitos digitales alimentados por batería y, dada su alta inmunidad al ruido, en ambien- tes industriales. La desventaja que sobresale en la familia CMOS es su baja velocidad, con un tiempo de propagación típi- co de 35 a 50ns o más. En la tabla 1, se reproduce un cuadro comparativo de las distintas lógicas en función de los diferentes pará- metros a los efectos de posibilitar la obtención de datos precisos, en forma rápida, cuando los necesite. SIMBOLOGÍA Y PARÁMETROS USUALES PARA IDENTIFICAR A LOS CIRCUITOS INTEGRADOS DIGITALES Los circuitos integrados son esquemas funcionales compuestos por transistores, diodos, resistores y capaci- tores, fabricados en un mismo proceso, sobre un sustra- to o pastilla (chip), y dentro de una misma cápsula. Esto significa que un circuito integrado digital, con dimensio- nes parecidas a cualquier semiconductor, contiene mu- chos componentes discretos interconectados directa- mente, que responden a una función electrónica preci- samente definida. El desarrollo que en los últimos años ha impulsado a los circuitos integrados digitales, tanto en su tecnología de fabricación como en lo que se refiere al desarrollo e investigación, ha conseguido colocar en un único chip todos los elementos que componen un computador que se conoce con el nombre de microprocesador o microcontrolador, según el caso, con lo cual se ha lo- grado reducir enormemente el volumen, lo cual no es la única ventaja porque los circuitos integrados digitales se han hecho indispensables en la industria, electromedici- na, comunicaciones, en el campo militar y aeroespa- cial, etc. Con el fin de comprender mejor el funcionamiento de los diferentes circuitos integrados digitales, vamos a definir la forma en que suelen representarse los diferen- tes parámetros que intervienen en la designación de un componente. Interpretación de los Parámetros Los fabricantes emplean símbolos para determinar las características de los mismos. Estos símbolos están de acuerdo con las normas internacionales y suelen aparecer en las hojas de datos de los componentes: VIH: Tensión de entrada con nivel lógico alto. Se ga- rantiza un mínimo. VOH: Tensión de salida con nivel lógico alto. Se ga- rantiza un mínimo. VOL: Tensión de salida con nivel lógico bajo. Se ga- rantiza un máximo. VIL: Tensión de entrada para nivel bajo. Se garantiza un máximo. VCC: Tensión de alimentación. VCD: Tensión en el diodo limitador de entrada. VO(on): Tensión de salida en estado conductor. VO(off): Tensión de salida en estado de bloqueo. Vt+: Tensión de umbral en el flanco positivo. Vt-: Tensión de umbral en el flanco negativo. Capítulo 2 32 Club Saber Electrónica Nº 89 Cap 2 - Flias Lógicas.qxd 7/9/12 6:31 AM Página 32
  35. 35. ICCH: Corriente de alimentación con salida a nivel alto. ICCL: Corriente de alimentación con salida a nivel bajo. IIH: Corriente de entrada en nivel alto. Es la corrien- te que circula por una entrada cuando se le aplica un nivel lógico "1". IIL: Corriente de entrada en nivel bajo. IOH: Corriente de salida en estado alto. IO(off): Corriente de salida en estado de bloqueo. IO(on): Corriente de salida en estado conductor. Ios: Corriente de salida en cortocircuito. Fmáx: Frecuencia máxima de reloj. Fi: Fan-in. Fo: Fan-out. tpHL: Tiempo de propagación para el cambio alto a bajo. tpLH: Tiempo de propagación para el cambio de bajo a alto. tw: Ancho medio de impulso. Evidentemente, los dados son sólo algunos de los símbolos empleados; en la medida que sea necesario, continuaremos definiendo nuevos parámetros. ENCAPSULADOS UTILIZADOS EN LOS CIRCUITOS INTEGRADOS DIGITALES Hemos dicho que los circuitos integrados incluyen circuitos electrónicos con transistores, resistores, capaci- tores, etc, construidos sobre un mismo material llamado sustrato que, a su vez, son encapsulados en un mismo chip. Los circuitos integrados digitales suelen encapsu- larse en envases diferentes, según el fabricante y sus usos más frecuentes, pero hay tres tipos básicos de cáp- sulas que son: a) Cápsula cilíndrica Esta cápsula normalmente es de metal y con forma cilíndrica, similar a la utilizada en ciertos transitores espe- ciales. Su mayor inconveniente es que el número de pa- titas no puede exceder de 12, lo que limita bastante sus aplicaciones. El aspecto físico de esta cápsula se muestra en la fi- gura 17. b) Cápsula plana o "flat-pack" Tiene un volumen muy reducido y suele ser de ma- terial cerámico. Dado que las patitas se encuentran colocadas de forma que se les puede soldar "por puntas" mediante un procedimiento semiautomático, su montaje con la téc- nica habitual es laborioso. En la figura 18 se da un detalle de este tipo de cáp- sula que no mide más de 6,5 mm por 20 mm, con un espesor de solo 1,5 mm. c) Cápsula de doble fila de conexión (Dual in line DIP o Dil) Es la más utilizada en los circuitos integrados digita- les comerciales. Las dos filas de patitas, al ser rígidas, permiten que se pueda insertar en tarjetas de circuito impreso normalizado. Puede estar hecha con material plástico o cerámico. Son usuales las cápsulas de 14 y 16 Electrónica Digital Muy Fácil 33 Familias Lógicas Figura 17 Figura 18 Cap 2 - Flias Lógicas.qxd 7/9/12 6:31 AM Página 33
  36. 36. patitas. También existe de 8, 18, 22, 24 y 28 patitas. El aspecto físico de este tipo de cápsula se muestra en la figura 19. Los circuitos electrónicos con componentes digitales poseen un "lay-out" específico donde se contempla el formato DIL. Es por eso que damos a continuación una serie de ejemplos de circuitos integrados digitales con componentes de la familia TTL. Tales ejemplos se dan en las figuras 20, 21 y 22, según el siguiente detalle: Figura 20: 7400 - Cuádruple compuerta NAND de 2 entradas. Figura 21: 7404 - Séxtuple inversor. Figura 22: 7420 - Doble compuerta NAND de 2 en- tradas. NOMENCLATURA UTILIZADA POR LOS FABRICANTES En general, cada fabricante de circuitos integrados digitales utiliza una forma particular para distinguir sus componentes. A continuación veremos algunas no- menclaturas a modo de ejemplo. Código de TEXAS INSTRUMENTS Posee dos letras mayúsculas, cinco números y una letra final, cuyo significado es el siguiente: Las dos primeras letras mayúsculas SN identifican el fabricante. Las dos siguientes indican el margen de temperaturas de acuerdo a lo siguiente: 74 margen comercial 0 a 75°C 54 margen militar -55 a 125°C Tres cifras o dos cifras que determinan la función que realiza (número de serie). Su última letra indica el tipo de encapsulado: J: Dual in line, cerámico N: Dual in line, plástico H, U, T, W, Z: Flat-Pack L: TO-5 Como ejemplo podemos dar el siguiente compo- nente que es fabricado por Texas Instruments: Sn 7402 N: SN Texas Capítulo 2 34 Club Saber Electrónica Nº 89 Figura 19 Figura 20 Figura 21 Figura 22 Cap 2 - Flias Lógicas.qxd 7/9/12 6:31 AM Página 34
  37. 37. 74 margen de temperatura comercial 02 función lógica que efectúa (en este ejemplo cuádruple compuerta NOR con 2 entradas) N Cápsula Dual in line plástica Código de MOTOROLA Representado con dos letras de identificación del fa- bricante: MC. Una cifra de dos números sirve para indicar el mar- gen de temperatura, luego otra de dos o tres números indica la función. Las letras para el encapsulado son: L: Dual in line cerámico G: TO-5 F: Flat-Pack P: Dual in line plástico Demos como ejemplo el componente MC 7404 P MC: Motorola 74 margen de temperatura comercial 04 función lógica, séxtuple inversor P: Dual in line plástico Código de NATIONAL SEMICONDUCTOR Usa dos letras para identificar el fabricante: DM Na- tional, dos cifras que indican el margen de temperatura y dos o tres cifras que indican la función. Letra que indi- ca el encapsulado: D: Dual in line cerámico N: Dual in lline plástico F: Flat-Pack Demos el siguiente ejemplo: DM 7430 N: DM National 74 Margen de temperatura comercial 30 Función lógica (Unica compuerta NAND de 8 entradas) N: Cápsula Dual in line plástico Los reseñados corresponden a ejemplos de tres de las más importantes empresas fabricantes de circuitos integrados digitales, resta, ahora, dar algunos ejemplos de componentes CMOS comerciales. Algunos Circuitos Integrados CMOS 4001 Cuádruple compuerta NOR de 2 entradas 4002 Doble compuerta NOR de 4 entradas 4008 Sumador total de 4 bits 4012 Doble compuerta NAND de 4 entradas 4011 Cuádruple compuerta NAND de 2 entradas 4013 Doble Flip-Flop D disparado por flancos 4023 Triple compuerta NAND de 3 entradas 4025 Triple compuerta NOR de 3 entradas 4027 Doble Flip-Flop J-K 4028 Decodificador BCD-decimal 4044 Cuádruple Flip-Flop R-S con compuertas NAND (Cuádruple cerrojo NAND R-S de 3 estados) 4063 Comparador de 4 bits 4069 Séxtuple inversor 4071 Cuádruple compuerta OR de 2 entradas 4072 Cuádruple compuerta OR de 4 entradas 4073 Triple compuerta AND de 3 entradas 4075 Triple compuerta OR de 3 entradas 4081 Cuádruple compuerta AND de 2 entradas 4082 Doble compuerta AND de 4 entradas 4097 Multiplexor de 8 canales 4508 Latch de 4 bits VENTAJAS DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS DIGITALES Para finalizar con este capítulo, digamos que en la actualidad, cuando no es preciso operar con sistemas de alta velocidad, la tendencia es utilizar componentes CMOS, por sus ventajas con respecto a las familias que tienen transistores bipolares (tales como las TTL). Sin em- bargo, todos los circuitos integrados digitales presentan ventajas con respecto a los componentes lineales. Po- demos mencionar una serie de ventajas referidas al au- mento de la confiabilidad en los circuitos electrónicos, la reducción del stock, reducción del costo de los equi- pos, reducción del tiempo de reparación, etc. Damos a continuación, un detalle acerca de lo que estamos ha- blando: - Aumento de la confiabilidad. Un circuito integrado digital tiene una confiabilidad Electrónica Digital Muy Fácil 35 Familias Lógicas Cap 2 - Flias Lógicas.qxd 7/9/12 6:31 AM Página 35
  38. 38. mucho mayor que otro circuito similar realizado con componentes discretos, debido a un minucioso estudio que exige el proyecto de un circuito integrado digital, a las modernas técnicas de fabricación, a la menor in- fluencia de la temperatura, por estar todos en una mis- ma superficie, etc. - Se requieren menos componentes para stock. - Reducción importante de las capacidades parási- tas, que existen entre los componentes a causa de su proximidad. - Reducción de tiempo en la localización de fallas, puesto que el sistema que se usa es el de la sustitución de los circuitos integrados digitales defectuosos, no siendo posible su reparación. - Menor costo Como desventaja, podemos decir que la potencia máxima que pueden disipar los circuitos integrados di- gitales es reducida. Los valores de los resistores y los ca- pacitores integrados no pueden superar ciertos máxi- mos, lo que hace que este tipo de componente, algu- nas veces, deba quedar en el exterior de los circuitos in- tegrados digitales. ALGUNAS DEFINICIONES SSI (Small Scale Integration) Significa una integración en pequeña escala, hasta 10 compuertas por chip (menor de 100 transistores). Ejemplos: compuertas lógicas (NAND, NOR, etc.), inver- sores, Flip-Flops. MSI (Medium Scale Integration) Corresponde a una integración en mediana escala, entre 10 y 100 compuertas por chip (100 a 1.000 tran- sistores). Ejemplos: decodificadores, demultiplexores, comparadores, multiplexores, contadores, registros de desplazamiento, codificadores. LSI (Large Scale Integration) Corresponde a una integración en alta escala, en- tre 100 y 1.000 compuertas por chip (1000 a 10000 transistores). VLSI (Very Large Scale Integration) Corresponde a más de 1.000 compuertas por chip (más de 10000 transistores). Con respecto a las características generales de es- tos componentes, los fabricantes de circuitos integrados digitales utilizan, para definir sus productos, algunas ca- racterísticas comunes, indicándolas en sus catálogos, publicaciones y folletos. Las más significativas son: Fan-out (Cargabilidad de salida Fo) Indica el máximo número de compuertas que se pueden conectar a la salida de una compuerta. Es la carga que puede conectarse a la salida. Fan-in (Cargabilidad de entrada Fi) Es la máxima cantidad de compuertas que se pue- den conectar a la entrada del componente. Niveles lógicos Se denomina así a los valores de tensión, tanto en estado alto como en estado bajo, que se aplican a es- tos integrados y son reconocidos como "1" o "0" lógicos. Estos niveles son: VoH: Mínima tensión de salida en el nivel lógico alto. VoL: Máxima tensión de salida en el nivel lógico bajo. ViH: Mínima tensión que, aplicada a la entrada, es reconocida como el estado lógico "1". ViL: Máxima tensión que, aplicada a la entrada, es reconocida como el estado lógico "0". Por ejemplo, en TTL (lógica transistor-transistor): ViH = 2V ViL = 0,8V VoH = 2,4V VoL = 0,4V Margen de ruido Es la variación de tensión admisible a la entrada de una compuerta, sin que la salida de la misma cambie de estado. Existen dos márgenes de ruido: - Margen de ruido en el estado lógico "0" de entrada: NIL = ViL - VoL - Margen de ruido en el estado lógico "1" de entrada NIH = VoH - ViH Para más información descargue el CD recomen- dado. ☺ Capítulo 2 36 Club Saber Electrónica Nº 89 Cap 2 - Flias Lógicas.qxd 7/9/12 6:31 AM Página 36
  39. 39. CCAPÍTULAPÍTUL OO 33 Este libro pretende ser práctico y brindar soluciones prácticas para que realice sus propias experiencias con circuitos electrónicos digitales. Hace más de 30 años que los estudiantes de electrónica realizan el ensamble del prototipo de un circuito sobre un elemento denominado protoboard. Este dispositivo permite montar y modificar fácil y rápidamente circuitos electrónicos sin necesidad de soldaduras y, muchas veces, sin herramientas. Una vez que el circuito bajo experimentación está funcio- nando correctamente sobre el protoboard puede procederse a su construcción en forma definitiva sobre un circuito impreso utilizando soldaduras para fijar e interco- nectar los componentes. Ahora, si bien es posible montar circuitos que permitan comprobar las características de las compuertas lógicas en un protoboard, la falta de práctica en el uso de esta herramienta puede ocasionar que el aficionado, lec- tor o estudiante cometa errores que lo desanimen a la hora de tener que aprender electrónica digital. Es por eso que, además de enseñarle a usar el protoboard, le proponemos el armado de una placa de entrenamiento para electrónica digital, de bajo costo y muy fácil de emplear. Electrónica Digital Muy Fácil 37 PRÁCTICA CON CIRCUITOS DIGITALES ENTORNO DE DESARROLLO Y PLACA DE ENTRENAMIENTO Cap 3 - Entrenador 7/9/12 6:33 AM Página 37
  40. 40. INTRODUCCIÓN El nombre protoboard es una contracción de los voca- blos ingleses prototype board y es el término que se ha difundido ampliamente en los países de habla hispana. Sin embargo, particular- mente en Estados Unidos e Inglaterra, se conoce como breadboard. Anteriormente un breadboard era una tabla utilizada como base para cortar el pan, pero en los principios de la electrónica los pioneros usaban dichas tablas para montar sus prototi- pos, compuestos por válvulas (tubos de vacío), clavijas, etc., los cuales eran asegurados por medio de tornillos e interconectados usando cables. Un protoboard está constituido por un arreglo matri- cial de contactos, como se observa en la figura 1. En este caso, se trata de un dispositivo de 14 filas y 50 columnas. Cada columna del grupo “A, B, C, D y E” representa un nodo, al igual que cada columna del grupo “F, G, H, I y J”. Las dos filas superiores y las dos úti- mas también son nodos. Los contactos están separados entre sí por una dis- tancia de 0,1 pulgadas (2,5 mm aproximadamente), distancia que corresponde a la separación entre pines o terminales de los circuitos integrados, que son los prin- cipales componentes de los circuitos elec- trónicos actuales. El contacto eléctrico se realiza a través de orificios interconectados en los que se insertan los terminales de los componentes. Los contactos entre orificios no están visi- bles, ya que se encuentran por debajo de la cubierta plástica aislante del protoboard, figura 2. Cada grupo de orificios interco- nectados se denomina “nodo”. Esta disposición también permite insta- lar e interconectar fácilmente los demás componentes electrónicos tales como los transistores, resistencias y capacitores, entre otros. Para hacer las uniones entre orificios distante, de modo de hacer las interconexiones nece- sarias para armar el circuito, se utiliza alambre tipo tele- fónico calibre 22 (alambre con aislante). Mirando el esquema del protoboard, las columnas de orificios tienen cinco perforaciones que se conectan entre sí en forma vertical. Sin embargo entre cada columna NO existe contacto, figura 3. En sentido horizontal hay 4 filas, dos superiores y dos inferiores que, en este caso, tienen 50 orificios interco- nectados y reciben el nombre de buses. Las mayorías de las protoboard traen dos buses a cada lado y se uti- lizan generalmente para manejar en ellos los voltajes o tensiones de alimentación. Además, existe un canal central separador cuya dis- tancia es igual a la que existe entre las filas de termina- les de los circuitos integrados. Esto es con el fin de poder ubicar sobre dicha separación, todos los circuitos inte- Capítulo 3 38 Club Saber Electrónica Nº 89 Figura 1 - Esquema de un protoboard clásico. Figura 2 - Los nodos, en el interior del protoboard, tienen contactos metálicos. Cap 3 - Entrenador 7/9/12 6:33 AM Página 38

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